Objectives: Zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) are widely used in various commercial products, but they are exposed to the environment and can induce toxicity. In this study, we investigated the environmental fate and bioaccumulation of ZnO NPs in a microcosm. Methods: The microcosm was composed of ...
Objectives: Zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) are widely used in various commercial products, but they are exposed to the environment and can induce toxicity. In this study, we investigated the environmental fate and bioaccumulation of ZnO NPs in a microcosm. Methods: The microcosm was composed of water, soil (Lufa Soil 2.2) and organisms (Oryzias latipes, Neocaridina denticulata, Semisulcospira libertina). Point five and 5 mg/L of ZnO NPs were exposed in the microcosm for 14 days. Total Zn concentrations were measured using an Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) and intracellular NPs were observed using Transmission Electron Microscopy (TEM). Results: In the initial stages of exposure, the Zn concentrations in water increased in all exposure groups and then decreased, while the Zn concentration in soil increased after three hours for the 5 mg/L solution. Zn concentrations also showed increasing trends in N. denticulata and S. libertina at 0.5 and 5 mg/L, and in O. latipes at 5 mg/L. Accumulation of NPs was found in the livers of O. latipes and hepatopancreas of N. denticulata and S. libertina. Conclusions: In the early stages of exposure, ZnO NPs remained in the water, and then were transported to the soil and test species. Unlike other species, total Zn concentrations in N. denticulata and S. libertina increased for both 0.5 mg/L and 5 mg/L. Therefore, ZnO NPs were more easily accumulated in zoobenthos than in fish.
Objectives: Zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) are widely used in various commercial products, but they are exposed to the environment and can induce toxicity. In this study, we investigated the environmental fate and bioaccumulation of ZnO NPs in a microcosm. Methods: The microcosm was composed of water, soil (Lufa Soil 2.2) and organisms (Oryzias latipes, Neocaridina denticulata, Semisulcospira libertina). Point five and 5 mg/L of ZnO NPs were exposed in the microcosm for 14 days. Total Zn concentrations were measured using an Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) and intracellular NPs were observed using Transmission Electron Microscopy (TEM). Results: In the initial stages of exposure, the Zn concentrations in water increased in all exposure groups and then decreased, while the Zn concentration in soil increased after three hours for the 5 mg/L solution. Zn concentrations also showed increasing trends in N. denticulata and S. libertina at 0.5 and 5 mg/L, and in O. latipes at 5 mg/L. Accumulation of NPs was found in the livers of O. latipes and hepatopancreas of N. denticulata and S. libertina. Conclusions: In the early stages of exposure, ZnO NPs remained in the water, and then were transported to the soil and test species. Unlike other species, total Zn concentrations in N. denticulata and S. libertina increased for both 0.5 mg/L and 5 mg/L. Therefore, ZnO NPs were more easily accumulated in zoobenthos than in fish.
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문제 정의
현재 산화아연 나노물질을 이용한 연구는 하나의 생물종에 나노물질을 노출시킨 단일노출 실험이 대부분이며 여러 생물종이 혼재되어 있는 환경에 나노물질을 노출한 후 축적성을 확인한 연구는 거의 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 생태계 내 다양한 생물종에 산화아연 나노물질이 미치는 영향을 확인하기 위한 기반연구로써, 표준토양(Lufa Soil 2.2)과 사육수를 매질로 하여 송사리(Oryzias latipes), 새뱅이(Neocaridina denticulata) 및 다슬기(Semisulcospira libertina)로 구성된 미소생태계를 조성한 후 산화아연 나노물질을 노출하여 생태계 내 나노물질의 거동 및 생물 축적량을 조사하였다.
본 연구에서는 수질, 토양 및 수생생물(송사리, 새뱅이, 다슬기)로 구성된 미소생태계에 산화아연 나노물질을 노출 후, 각 매질 및 생물체 내 총 아연농도 측정과 조직 내 나노입자 관찰을 통해 미소생태계 내 산화아연 나노물질의 거동 및 생물체 내 축적성을 확인하였다.
제안 방법
5 또는 5 mg/L의 산화아연 나노물질을 순환식으로 노출시켰다. 나노물질 노출 초기와 노출 3, 6, 12시간 및 1,2, 4, 7, 14일 후 각 수조의 수질, 수조 덮개 응축물, 토양 및 각 생물체를 채취하여 분석에 사용하였다.
매질과 마찬가지로 각 생물체(송사리, 새뱅이, 다슬기)를 채취하여 총 아연농도를 측정하였다.
미소생태계 내 산화아연 나노물질의 축적량을 확인하기 위해 수질, 수조 덮개 응축물, 퇴적물, 송사리, 새뱅이 및 다슬기 내 총 아연농도를 유도결합플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer: ICP-MS, MARS 6, Perkinelmer,미국)를 사용하여 측정하였다.
5 mg/L)와 고농도(5 mg/L)로 설정하였으며 대조군은 나노물질을 노출시키지 않았다. 미소생태계 조성을 위해 각 시험 군당 3개씩 총 9개의 투명유리사각수조 바닥에 표준토양인 Lufa Soil 2.2(LUPA Speyer, 독일)을 7 kg씩 깔고 사육수를 순환식으로 노출시키며 암모니아(NH3),암모니아 이온(NH4+), 암모니아성 질소(NH3-N), 수온을 측정하여 안정화 기간을 도출하였다. 안정화 기간 후 송사리 25개체, 새뱅이 15개체, 다슬기 15개체(총 3개 시험종, 55개체)를 동일한 수조에 넣고 0.
산화아연 나노물질 노출 14일 후 송사리의 간, 새뱅이 및 다슬기의 간췌장에 축적된 나노입자를 투과전자현미경을 통해 관찰하였다.
산화아연 나노물질 노출 초기와 노출 3, 6, 12시간 및 1, 2, 4, 7, 14일 후 각 수조의 매질(수질, 수조 덮개 응축물, 토양)을 채취하여 총 아연농도를 측정하였다.
산화아연 나노물질의 환경 중 거동 및 생물체 내 축적량을 확인하기 위해 수질, 토양, 수생생물 중 어류인 송사리(Oryzias latipes), 갑각류인 새뱅이(Neocaridina denticulata) 및 복족류인 다슬기(Semisulcospira libertina)로 구성된 미소생태계를 조성 후 실험을 수행하였다.
시험생물종 체내에 축적된 나노입자는 노출 14일 후 송사리 간, 새뱅이 및 다슬기 간췌장을 각 개체별로 채취하여 고정, 탈수, 프로필렌 옥사이드 치환 및 에폭시 수지 중합한 다음 초미세박절기(EM-UC7, Leica, 독일)을 이용하여 70 nm 두께로 절편 후 아세테이트 우라닐 – 구연산납으로 이중염색하여 관찰하였다.
시험생물종의 체내와 수조덮개 응축물에 있는 나노입자를 투과전자현미경(Transmission electronic microscope: TEM, JEM-1010, JEOL, 일본)을 이용하여 관찰하였다.
2(LUPA Speyer, 독일)을 7 kg씩 깔고 사육수를 순환식으로 노출시키며 암모니아(NH3),암모니아 이온(NH4+), 암모니아성 질소(NH3-N), 수온을 측정하여 안정화 기간을 도출하였다. 안정화 기간 후 송사리 25개체, 새뱅이 15개체, 다슬기 15개체(총 3개 시험종, 55개체)를 동일한 수조에 넣고 0.5 또는 5 mg/L의 산화아연 나노물질을 순환식으로 노출시켰다. 나노물질 노출 초기와 노출 3, 6, 12시간 및 1,2, 4, 7, 14일 후 각 수조의 수질, 수조 덮개 응축물, 토양 및 각 생물체를 채취하여 분석에 사용하였다.
대상 데이터
본 시험에 사용한 나노물질은 산화아연 나노물질(CAS No. 1314-13-2, Sigma-Aldrich, 미국)로 제조사에서 제공받은 나노물질의 특성을 Table 1에 정리하였으며, 산화아연 나노입자를 증류수에 분산시킨 후 투과전자현미경으로 관찰하여 응집이나 집적 없이 고르게 분산되어 있는 것을 확인하였다(Fig. 1).
데이터처리
05로 설정하였다. 분석은 정규성을 가정하고 모수적인 일원 분산분석(One-way ANOVA)을 적용하였으며, LSD로 사후검정을 실시하여 대조군과 유의한 차이를 보이는 노출군을 확인하였다.
이론/모형
총 아연농도 측정을 위해 수질 시료는 수질오염공정시험기준(ES 04150.1)에 따라 시료에 질산을 가해 전처리 하였고, 생물 시료(송사리, 새뱅이, 다슬기)와 퇴적물 시료의 경우 US EPA 3052에 따라 시료에 질산과 염산(퇴적물시료만 해당)을 가한 후 마이크로웨이브(MARS 6, SEM, 미국)로 분해하여 전처리 하였다.
성능/효과
14일간의 노출기간 동안 수온, 수소이온농도, 용존산소량 및 경도 등의 수질화학적 변화를 측정하였으며, 그 결과 각각의 값들은 일정하게 유지되었다(data not shown). 또한 노출 기간 동안 송사리는 대조군에서 3개체, 0.
따라서 본 결과를 통해 미소생태계에 노출된 나노물질이 입자의 형태를 유지하며 송사리, 새뱅이 및 다슬기의 체내에 축적되었음을 확인하였다.
따라서 본 결과를 통해 수질 내에 노출된 산화아연 나노물질이 생물체 내로 이동하였으며, 특히 송사리에 비해 새뱅이와 다슬기 체내에 보다 낮은 농도에서도 쉽게 축적되는 것을 확인하였다.
따라서 본 시험 결과를 통해 산화아연 나노물질이 미소생태계 내에 노출되었을 경우 노출 초기 수질에 머무르다가 응집 및 침전되어 토양에 축적되거나 생물체에 의해 섭식되며, 특히 0.5 mg/L 노출군에서 토양이나 유영생물인 송사리 보다 저서생물인 다슬기 및 새뱅이에 쉽게 축적되는 것을 확인할 수 있었다.
따라서 본 연구결과를 통해 산화아연 나노물질은 노출 초기에 수질 내에 존재하다가 점차 토양 내로 유입되거나 일부 대기 중으로 이동되는 것을 확인하였다.
미소생태계에 노출된 산화아연 나노물질은 노출 직후 수질에 존재하다가 토양 및 생물체 내로 이동하였으며, 생물체 내로의 이동은 각 생물종의 서식 습성에 따라 달라지는 경향을 보였다. 본 연구결과는 다양한 생물종이 혼재되어 있는 환경에서 산화아연 나노물질의 거동 및 축적성을 확인하였다는 것에 의미가 있으며 추후 미소생태계 내의 각 생물종에 산화아연 나노물질이 미치는 유해성을 분석하고 독성 지표를 제안하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
생물체 내 총 아연농도는 유영생물인 송사리와 저서생물인 다슬기 및 새뱅이에서 다른 양상을 보였는데, 송사리의 경우 5 mg/L 노출군에서만 대조군에 비해 총 아연농도가 유의하게 증가한 반면, 다슬기 및 새뱅이에서는 5 mg/L뿐만 아니라 0.5 mg/L 노출 군에서도 일부 유의하게 증가하는 경향을 보였다. 0.
안정화된 미소생태계 조성을 위해 Lufa Soil 2.2가 담긴 수조에 사육수를 순환식으로 노출시키며 미소생태계 내에 독성영향을 일으킬 수 있는 암모니아(NH3), 암모니아 이온(NH4+) 및 암모니아성 질소(NH3-N)의 농도를 측정한 결과 각각의 농도는 시험 초기 급격히 증가하다가 시험 11일 후 점차 감소하여 33일 후에는 초기 농도 수준을 유지하였다. 따라서 본 결과를 바탕으로 33일간의 안정화 기간 후 노출 시험을 수행하였다(data not shown).
토양 내 총 아연농도는 5 mg/L 노출군에서 노출 시간 의존적으로 증가하다가 노출 4일 후부터 일정한 수준으로 유지되는 경향을 보였으며, 모든 채취 시점에서 대조군에 비해 1.23배 ~ 2.98배까지 유의하게 증가하였다. 반면 0.
후속연구
미소생태계에 노출된 산화아연 나노물질은 노출 직후 수질에 존재하다가 토양 및 생물체 내로 이동하였으며, 생물체 내로의 이동은 각 생물종의 서식 습성에 따라 달라지는 경향을 보였다. 본 연구결과는 다양한 생물종이 혼재되어 있는 환경에서 산화아연 나노물질의 거동 및 축적성을 확인하였다는 것에 의미가 있으며 추후 미소생태계 내의 각 생물종에 산화아연 나노물질이 미치는 유해성을 분석하고 독성 지표를 제안하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산화아연 나노물질과 같은 금속계 나노물질은 어떤 기작을 통해 생물체에 영향을 미치는가?
산화아연 나노물질과 같은 금속계 나노물질은 환경 중에 노출되어 나노물질로부터 방출된 이온의 영향, 나노물질 표면과 매질의 상호작용, 나노물질과 생물체의 직접적인 상호작용 등 매우 다양한 기작을 통해 생물체에 영향을 미칠 수 있기 때문에9) 실제 환경 중 나노물질의 분포 및 이동을 파악하고 각 생물종 및 생태계에 미치는 영향을 확인하는 것이 매우 중요하다.
산화아연 나노물질은 어디에 이용되는가?
산화아연 나노물질은 이산화티타늄, 이산화규소에 이어 전세계에서 세 번째로 많이 생산되는 나노물질로,3) 산화아연이 자외선을 흡수하는 특성을 이용해주로 자외선 차단제, 화장품 등의 개인 용품 및 폐수 처리, 항·세균제, 식품 첨가물 등에 사용되고 있다.4)
33일간의 안정화 기간 후 노출 시험을 수행한 이유는 무엇인가?
안정화된 미소생태계 조성을 위해 Lufa Soil 2.2가 담긴 수조에 사육수를 순환식으로 노출시키며 미소생태계 내에 독성영향을 일으킬 수 있는 암모니아(NH3), 암모니아 이온(NH4+) 및 암모니아성 질소(NH3-N)의 농도를 측정한 결과 각각의 농도는 시험 초기 급격히 증가하다가 시험 11일 후 점차 감소하여 33일 후에는 초기 농도 수준을 유지하였다. 따라서 본 결과를 바탕으로 33일간의 안정화 기간 후 노출 시험을 수행하였다(data not shown).
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